RTL 设计基础

课程大纲

1. RTL 与模块契约
   • RTL：描述并发工作的电路概念

     区分软件执行顺序与硬件并行结构，明确当前状态、下一状态和观察时刻。

   • 信号与端口：位宽、方向和时间的约定概念

     阅读接口约定，区分组合输出与状态输出的验证标准。

   • 模块、端口与实例：把连接当作契约概念

     用具名连接组合模块，检查单一驱动源与层次边界。

   • 理解检查：组合输出与保存输出测验

     区分输入变化时刻与寄存器观察时刻。

2. 类型、位宽、符号与表达式
   • logic、wire、X/Z 与明确的位宽概念

     区分类型声明与存储器件，检查常量、比较、扩展和未知值。

   • 向量索引、位顺序与符号概念

     区分位编号、串行传输顺序与算术解释，阅读数据通路。

   • 切片、拼接和重复运算的位宽概念

     计算拼接信号的总位宽与数值保留条件，构建数据通路。

   • 二进制补码、符号扩展与溢出概念

     用公式与反例区分位串的 signed 解释及加法溢出条件。

   • 理解检查：范围与显式扩展测验

     同时检查加法器输入和输出位宽。

3. 完整的组合 RTL 与验证
   • 组合 RTL 与完整赋值概念

     用条件运算符与 always_comb 表达同一函数，找出导致锁存器的遗漏赋值。

   • 编码器与优先级：从多个请求中选择一个概念

     区分独热编码器的输入假设，以及优先编码器的 valid 与选择结果。

   • MUX 验证：穷举检查与属性概念

     分别检查组合输入覆盖率与存储行为，并最小化反例。

   • 设计检查：选择电路的等价性与观察时刻测验

     区分仅用真值表即可完成的验证，与必须观察时钟的验证。

4. 状态、赋值与复位优先级
   • 触发器、enable 与控制优先级概念

     用下一状态表达式定义保持、装载与复位，避免无意的时钟门控。

   • 非阻塞赋值与同时状态更新概念

     区分旧值与下一值，准确解读流水线及计数器 RTL。

   • 模计数器、饱和计数器与结束脉冲概念

     设计最大值处理方式，以及终值计数信号的精确周期。

   • 实验：计数器复位、回绕与不变式验证实验

     将每个上升沿的状态与参考模型对照，区分初值、复位和位宽的影响。

   • 设计检查：位宽、优先级与回绕边界测验

     依据给定的状态转移规格，判断边界值与同时到达的控制输入。

5. 参数与静态结构生成
   • parameter、localparam、$clog2 与边界配置概念

     区分运行时输入和静态配置，设计 N=1 与非二次幂计数器的位宽和终止行为。

   • generate：用循环构建静态电路概念

     用 genvar 与 generate-if 生成具名结构，检查总线 lane 布局。

   • function automatic 与表达式复用概念

     编写不消耗时间的函数，检查返回值位宽、符号与参考模型独立性。

   • 理解检查：N=1 与位宽测验

     区分最小存储位宽与实际有效状态数。

6. 测试平台与独立验证
   • 波形采样时刻与因果关系概念

     区分组合稳定、时钟捕获与事件顺序，正确阅读波形。

   • 实验：会自行报告失败的测试平台实验

     分开 DUT、激励、参考模型和判定，在无竞争的观察时刻检查 reset、enable 与回绕。

   • 验证计划、覆盖率与独立参考模型概念

     区分测试通过与规格满足，将边界、交叉条件及最小反例纳入验证计划。

   • 计数器调试与最小反例概念

     设计简短测试，区分复位、enable 与回绕边界错误。

   • 理解检查：参考模型与竞争测验

     选择独立期望值及边沿更新后的检查时间。

7. 模块连接与综合实验
   • 状态机：分离状态、转移与输出概念

     从规格表编写 FSM，比较 Moore、Mealy 输出、非法状态与请求策略。

   • 综合设计：检测可重叠的 101 模式概念

     在同一设计中应用状态最小化、输入有效性、寄存输出与独立参考验证。

   • Ready/valid 与单槽弹性缓冲区概念

     设计可暂停数据通路中无丢失、无重复的传输条件与同时输入输出。

   • 乘加流水线与数据对齐概念

     按寄存器边界划分运算，使数据、valid 与辅助操作数属于同一事务。

   • 综合实验：连接周期脉冲与使能累加器实验

     明确用旧值实现模块间传递，比较停顿、连续脉冲和同时复位。

8. 工具诊断与结果范围
   • Setup、hold 与时序预算概念

     区分最大与最小路径延迟，计算独立于时钟频率的 hold 条件。

   • 时钟域边界与亚稳态概念

     理解两级同步器的适用范围，区分单比特、短脉冲与多比特传输。

   • 编译、lint 与综合：诊断能证明什么概念

     固定源码列表、top 和语言模式，区分语法、位宽、锁存器诊断与功能验证。

   • 运行记录与 DDS 实践衔接概念

     整理源码、输入、期望、失败条件和工具版本，提交可复现实验。

   • 最终检查：功能通过与运行证据测验

     区分本地工具结果和 DDS 免费实践验收。